专利名称：一种芯片cpt原子钟物理系统装置的制作方法
技术领域：
本发明技术涉及原子钟领域，尤其涉及一种芯片CPT原子钟物理系统装置，适用于制造芯片CPT原子钟。
背景技术：
原子钟是一种计量时间的工具，利用微观世界原子不同能级之间的量子跃迁计量时间，因为这种量子跃迁的频率具有很高的稳定度，用其对普通的晶体振荡器频率进行锁定，制造出具有很高稳定度的原子钟。原子钟成为一种提供高稳定度、高准确度的频率信号的设备，可以满足守时授时、导航定位、精密测量、高速通信等众多要求。物理系统是原子钟的核心部件，物理系统的好坏直接决定了原子钟性能和指标的优劣，因此，物理系统的设计是实现原子钟的关键之一。物理系统中的汽泡内部包含碱金属 原子和缓冲气体，并被加热到高于室温以产生碱金属原子蒸汽。缓冲气体为氮气、甲烷、氦气等不活泼气体或它们的混合气体，用来压窄谱线宽度、荧光淬灭、能级混杂等。碱金属原子为铯133、铷87或铷85，它们的基态超精细子能级之间的共振用来鉴定注入微波的频率。如图I所示，在弱磁场下，由于两mF = O的能级(“0-0”能级)对磁场不敏感，因此常用它们之间的跃迁频率u㈨作为原子钟鉴频频率。当微波频率扫过跃迁频率时，共振信号表现为探测光信号会出现一个凹陷或者凸起，利用本地振荡器产生微波，将此微波锁定到共振信号中凹陷或凸起所对应的中心跃迁频率上，就可得到精密的本地振荡器时钟信号输出。CPT原子钟是一种新型原子钟，具有体积小、功耗低、启动快等特点，有着广泛的应用前景。原理上，它也是目前已知的唯一可微型化的原子钟。应用MEMS工艺制造量子系统，ASIC工艺制造电子学系统，可以实现芯片CPT原子钟。图2是传统的被动型汽泡式CPT原子钟的物理系统方案图。一定功率的微波通过电容与直流混合，混合的电信号注入垂直腔面发射激光器(Vertical-CavitySurface-Emitting Laser,简称VCSEL)来产生多边带光,该多边带光的基频受注入直流和激光器温度控制，相邻边带的频差等于微波频率，各边带光强度满足贝塞尔函数。CPT共振需其中两个边带激发，若为± I级边带光，则称为半宽调制激发；若为基频(O级)和+1(或-I)级边带光，称为全宽调制激发。四分之一波片U/4波片)的作用是将VCSEL输出的线偏振光转变成左旋(σ_)或右旋(σ+)圆偏振光。汽泡置于可准确控温的环境中，为原子与激光相互作用提供所需的原子蒸汽。在对环境磁场作屏蔽的前提下，在汽泡外设置螺线管(图2中未画出)产生平行于光传播方向的磁场。光电探测器探测透过汽泡的激光，并转变为光电流信号。合理控制注入直流和激光管温度，使VCSEL输出光中激发CPT的两个边带分别激发两基态到同一激发态的电偶极跃迁(Dl线或D2线跃迁)。调节微波频率从而改变两边带光的频率差，当频率差扫过超精细能级“0-0”共振频率时，光电探测器输出光电流将出现一个共振信号。处理该共振信号得到反馈控制微波频率的信号，实现闭环控制后，即可得到精密的本地振荡器时钟信号输出。上述传统的CPT原子钟采用单束的σ -或σ +圆偏振激光作为光源激发原子跃迁方案，这种方案有一个缺点，即由于圆偏振激光对原子超精细分裂磁子能级的光抽运效应，使得原子倾向于累积在基态磁量子数最小(或最大)的磁子能级上，而这个能级对CPT暗态是没有贡献的，我们称之为极化暗态。图I说明了此现象，因此信号对比度(CPT共振增加的光电流信号幅度比上非共振的光电流信号幅度)不高。而CPT原子钟的短期频率稳定度与对比度成反比，因此该方案制造的CPT原子钟的短期稳定度不高。米用正交圆偏振激发CPT共振的方案,利用O-和O +圆偏振光同时与原子作用，可以消除上述极化暗态，得到高对比度CPT信号。该方案可用一个光与原子相互作用的四能级图来说明，如图3所不。通过在时间或者空间上延时使σ-和σ +圆偏振光相位差为(2η+1) π (η为整数)，可以达到态函数同相叠加效果，使得CPT共振信号增强，并能将原子集中在“0-0能级”，如图4所示。因此正交圆偏振激发CPT共振的方案制作的原子钟短期稳定度会明显高于传统CPT原子钟
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种被动型CPT原子钟物理系统装置，该装置能将原子集中在“0-0能级”，使得CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度。另外，装置中所有器件都利于集成，可实现微型化被动型CPT原子钟。本发明的目的可通过下列技术方案来实现一种芯片CPT原子钟物理系统装置，包括垂直腔面发射激光装置，还包括依次设置的第一偏振分束器、第一 λ/4波片、原子蒸汽腔芯片、第二 λ/4波片和反射装置，还包括依次设置的透镜、第二偏振分束器和光电探测器，垂直腔面发射激光装置发出的线偏振圆形发散光通过第一偏振分束器后得到第一线偏振圆形发散光，第一线偏振圆形发散光通过第一 λ /4波片得到圆偏振圆形发散光，圆偏振圆形发散光依次通过原子蒸汽腔芯片和第二 λ/4波片后得到第二线偏振圆形发散光，第二线偏振圆形发散光经反射装置发射后得到第一线偏振反射圆形发散光，第一线偏振反射圆形发散光通过透镜得到第一线偏振平行光，第一线偏振平行光经过第二偏振分束器反射得到第一线偏振反射平行光，第一线偏振反射平行光经过第一偏振分束器反射后与第一线偏振圆形发散光合束，经过第一偏振分束器反射后的第一线偏振反射平行光依次通过第一 λ/4波片、原子蒸汽腔芯片和第二 λ/4波片，然后经反射装置反射后依次通过透镜和第二偏振分束器传送到光电探测器转换成电流输出。如上所述的垂直腔面发射激光装置包括电容、电感和垂直腔面发射激光器，电容一端用于微波输入，另一端与垂直腔面发射激光器的阳极连接，电感一端用于电流输入，另一端与垂直腔面发射激光器的阳极连接，垂直腔面发射激光器的阴极与电气地连接。如上所述的反射装置包括第一 45°反射面和第二 45°反射面，第二线偏振圆形发散光经第一 45°反射面反射后得到第二线偏振反射圆形发散光，第二线偏振反射圆形发散光经第二 45°反射面反射后得到第一线偏振反射圆形发散光。如上所述的第二线偏振圆形发散光的入射角为45度，第一 45°反射面(9a)与第二 45°反射面垂直。如上所述的线偏振圆形发散光、第一线偏振圆形发散光、圆偏振圆形发散光和第二线偏振圆形发散光的光束中心均重合，第二线偏振反射圆形发散光和第一线偏振反射平行光均垂直于线偏振圆形发散光的传播方向，线偏振圆形发散光、第一线偏振圆形发散光、圆偏振圆形发散光、第二线偏振圆形发散光、第二线偏振反射圆形发散光、第一线偏振反射圆形发散光、第一线偏振平行光和第一线偏振反射平行光均位于同一平面。如上所述的线偏振圆形发散光的传播方向为X轴正轴方向，X轴正轴方向的反方向为X轴负轴方向，第一偏振分束器的斜面和第二 45°反射面的反射面的倾斜方向均为X轴负轴方向顺时针旋转45度方向，第二偏振分束器的斜面和第一 45°反射面的反射面的倾斜方向均为X轴正轴方向逆时针旋转45°方向。第二线偏振反射圆形发散光的传播方向为Y轴正轴方向，第一 λ/4波片的光轴与Y轴正轴方向呈45度，第二 λ/4波片的光轴与第一 λ/4波片的光轴平行。如上所述的第一线偏振圆形发散光、圆偏振圆形发散光、第二线偏振圆形发散光、第二线偏振反射圆形发散光、第一线偏振反射圆形发散光、第一线偏振平行光和第一线偏
振反射平行光的总光程为其中c为真空中的光速，Vtltl为原子蒸汽腔芯片中原子基态
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超精细塞曼能级中磁量子数为零的两能级之间跃迁频率。与现有技术相比，本发明的有益效果是I.能将原子集中在“0-0能级”，使得CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度；2.光源、探测器可以集成在同一个硅片上，装置更小型化。
图I为单一圆偏振光抽运喊金属原子基态超精细结构塞曼能级布居图(以具有代表性的右旋偏振光抽运铯133原子为例，能级上的直条表示纯圆偏振光抽运，稳态时能级布居数分布);图2为传统的被动型相干布居囚禁原子钟的物理系统方案图；图3为正交圆偏振激发CPT方案四能级抽运图(以具有代表性的铯133原子为例)；图4为正交圆偏振激发CPT方案碱金属原子基态超精细结构塞曼能级布居图(以具有代表性的铯133原子为例，能级上的直条表示正交圆偏振光抽运，稳态时能级布居数分布)；图5为本发明的原理示意图；图6为本发明的实施流程示意图；图7为本发明的装置示意图；图8为本发明的延时环路原理示意图；图中I-微波输入；2_电流输入；3_电容；4_电感；5_垂直腔面发射激光器；6a_第一偏振分束器；6b_第二偏振分束器；7a_第一 λ /4波片；7b_第二 λ/4波片；8_原子蒸汽腔芯片；9a-梯形棱镜的第一 45°反射面；9b-梯形棱镜的第二 45°反射面；10-透镜；11-光电探测器；12a-线偏振圆形发散光；12b-第一线偏振圆形发散光；12c_圆偏振圆形发散光；12d-第二线偏振圆形发散光；12e-第二线偏振反射圆形发散光；12f-第一线偏振反射圆形发散光；12g_第一线偏振平行光；12h-第一线偏振反射平行光。
具体实施例方式实施例I :如图7所示，一种芯片CPT原子钟物理系统装置，包括垂直腔面发射激光装置，还包括依次设置的第一偏振分束器6a、第一 λ /4波 片7a、原子蒸汽腔芯片8、第二 λ /4波片7b和反射装置，还包括依次设置的透镜10、第二偏振分束器6b和光电探测器11，垂直腔面发射激光装置发出的线偏振圆形发散光12a通过第一偏振分束器6a后得到第一线偏振圆形发散光12b，第一线偏振圆形发散光12b通过第一 λ /4波片7a得到圆偏振圆形发散光12c,圆偏振圆形发散光12c依次通过原子蒸汽腔芯片8和第二 λ /4波片7b后得到第二线偏振圆形发散光12d，第二线偏振圆形发散光12d经反射装置发射后得到第一线偏振反射圆形发散光12f，第一线偏振反射圆形发散光12f通过透镜10得到第一线偏振平行光12g，第一线偏振平行光12g经过第二偏振分束器6b反射得到第一线偏振反射平行光12h，第一线偏振反射平行光12h经过第一偏振分束器6a反射后与第一线偏振圆形发散光12b合束，经过第一偏振分束器6a反射后的第一线偏振反射平行光12h依次通过第一 λ /4波片7a、原子蒸汽腔芯片8和第二 λ /4波片7b，然后经反射装置反射后依次通过透镜10和第二偏振分束器6b传送到光电探测器11转换成电流输出。垂直腔面发射激光装置中的垂直腔面发射激光器5发射出线偏振圆形发散光12a,线偏振圆形发散光12a透过第一偏振分束器6a得到第一线偏振圆形发散光12b,第一线偏振圆形发散光12b通过第一 λ /4波片7a得到圆偏振圆形发散光12c，圆偏振圆形发散光12c依次通过原子蒸汽腔芯片8和第二 λ /4波片7b后得到第二线偏振圆形发散光12d，第二线偏振圆形发散光12d经反射装置发射后得到第一线偏振反射圆形发散光12f，第一线偏振反射圆形发散光12f透过透镜得到第一线偏振平行光12g，垂直腔面发射激光器5的发光平面与透镜间的距离为固定的透镜的焦距，将透镜放置在经反射装置反射后的位置上，利用反射减小了物理系统装置的体积。垂直腔面发射激光器5与光电探测器11集成在一块芯片上，与传统的物理系统相t匕，可以减小物理系统装置的体积。垂直腔面发射激光装置包括电容3、电感4和垂直腔面发射激光器5，电容3 —端用于微波输入，另一端与垂直腔面发射激光器5的阳极连接，电感(4) 一端用于电流输入，另一端与垂直腔面发射激光器5的阳极连接，垂直腔面发射激光器5的阴极与电气地连接。反射装置包括第一 45°反射面9a和第二 45°反射面9b,第二线偏振圆形发散光12d经第一 45°反射面9a反射后得到第二线偏振反射圆形发散光12e，第二线偏振反射圆形发散光12e经第二 45°反射面9b反射后得到第一线偏振反射圆形发散光12f。第二线偏振圆形发散光12d的入射角为45度,第一 45°反射面9a与第二 45°反射面9b垂直。线偏振圆形发散光12a、第一线偏振圆形发散光12b、圆偏振圆形发散光12c和第二线偏振圆形发散光12d的光束中心均重合，第二线偏振反射圆形发散光12e和第一线偏振反射平行光12h均垂直于线偏振圆形发散光12a的传播方向，线偏振圆形发散光12a、第一线偏振圆形发散光12b、圆偏振圆形发散光12c、第二线偏振圆形发散光12d、第二线偏振反射圆形发散光12e、第一线偏振反射圆形发散光12f、第一线偏振平行光12g和第一线偏振反射平行光12h均位于同一平面。线偏振圆形发散光12a的传播方向为X轴正轴方向，X轴正轴方向的反方向为X轴负轴方向，第一偏振分束器6a的斜面和第二 45°反射面9b的反射面的倾斜方向均为X轴负轴方向顺时针旋转45度方向，第二偏振分束器6b的斜面和第一 45°反射面9a的反射面的倾斜方向均为X轴正轴方向逆时针旋转45°方向。第二线偏振反射圆形发散光12e的传播方向为Y轴正轴方向，第一 λ/4波片7a的光轴与Y轴正轴方向呈45度，第二 λ /4波片7b的光轴与第一 λ /4波片7a的光轴平行。第一线偏振圆形发散光12b、圆偏振圆形发散光12c、第二线偏振圆形发散光12d、第二线偏振反射圆形发散光12e、第一线偏振反射圆形发散光12f、第一线偏振平行光12g
和第一线偏振反射平行光12h的总光程为+，其中c为真空中的光速，V00为原子蒸汽腔
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芯片中原子基态超精细塞曼能级中磁量子数为零的两能级之间跃迁频率。线偏振圆形发散光12a的传播方向为X轴正轴方向，第二线偏振反射圆形发散光12e的传播方向为Y轴正轴方向，第一 λ/4波片7a的光轴与Y轴方向呈45°，第二 λ/4波片7b的光轴与第一 λ /4波片7a的光轴平行，因此Y轴方向上的线偏振光束经过第一 λ /4波片7a后变为磁左旋(或右旋)圆偏振光。磁左旋(或右旋)圆偏振光定义为光子的自旋方向反向(或同向)于量子化轴方向，故原子吸收一个磁左旋(或右旋)圆偏振光光子后轴向自旋角动量减小(或增加)Η。如图6所示，第二步骤中，与传统被动型CPT原子钟中的方法相似，将垂直腔面发射激光器5发射的激光中+1级边带光调节到与铯133原子|62S1/2，F = 3 >和|62P1/2，F =4 >两能级的电偶极跃迁共振，-I级边带光调节到与铯133原子|6%1/2，？ = 4>和|62P1/2，F = 4 >两能级的电偶极跃迁共振。如图6所示，第三步骤中，扫描微波输入I的频率，光电探测器11的电流输出13大小反应了 CPT共振的强弱，该电流输出13即为微波输入I的频率鉴定信号，即实现鉴频4。
本发明与传统被动型相干布居囚禁原子钟方案相比，获得的鉴频信号幅度明显较大，能提高被动型相干布居囚禁原子钟的性能。上述的实施方式只是本发明的一个具有代表性的特例，同领域的工作人员通过共知常识及本发明可得碱金属原子(铯133、铷87、铷85)、不同谱线(Dl线和D2线)、不同调制方式(半宽调制和全宽调制)的实施办法。本发明能将原子集中在“0-0能级”，使得CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度。
权利要求
1.一种芯片CPT原子钟物理系统装置，包括垂直腔面发射激光装置，其特征在于还包括依次设置的第一偏振分束器(6a)、第一 X/4波片(7a)、原子蒸汽腔芯片(8)、第二入/4波片(7b)和反射装置，还包括依次设置的透镜(10)、第二偏振分束器^b)和光电探测器(11)，垂直腔面发射激光装置发出的线偏振圆形发散光(12a)通过第一偏振分束器^a)后得到第一线偏振圆形发散光(12b)，第一线偏振圆形发散光(12b)通过第一入/4波片(7a)得到圆偏振圆形发散光(12c)，圆偏振圆形发散光(12c)依次通过原子蒸汽腔芯片(8)和第二入/4波片(7b)后得到第二线偏振圆形发散光(12d)，第二线偏振圆形发散光(12d)经反射装置发射后得到第一线偏振反射圆形发散光(12f)，第一线偏振反射圆形发散光(12f)通过透镜(10)得到第一线偏振平行光(12g)，第一线偏振平行光(12g)经过第二偏振分束器(6b)反射得到第一线偏振反射平行光(12h)，第一线偏振反射平行光(12h)经过第一偏振分束器(6a)反射后与第一线偏振圆形发散光(12b)合束,经过第一偏振分束器(6a)反射后的第一线偏振反射平行光(12h)依次通过第一 X/4波片(7a)、原子蒸汽腔芯片(8)和第二 X/4波片(7b)，然后经反射装置反射后依次通过透镜(10)和第二偏振分束器^b)传送到光电探测器(11)转换成电流输出。
2.根据权利要求I所述的一种芯片CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的垂直腔面发射激光装置包括电容(3)、电感(4)和垂直腔面发射激光器(5)，电容(3) —端用于微波输入，另一端与垂直腔面发射激光器(5)的阳极连接，电感(4) 一端用于电流输入，另一端与垂直腔面发射激光器(5)的阳极连接，垂直腔面发射激光器(5)的阴极与电气地连接。
3.根据权利要求I所述的一种芯片CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的反射 装置包括第一 45°反射面(9a)和第二 45°反射面(9b)，第二线偏振圆形发散光(12d)经第一 45°反射面(9a)反射后得到第二线偏振反射圆形发散光(12e)，第二线偏振反射圆形发散光(12e)经第二 45°反射面(9b)反射后得到第一线偏振反射圆形发散光(12f)。
4.根据权利要求3所述的一种芯片CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的第二线偏振圆形发散光(12d)的入射角为45度,第一 45°反射面(9a)与第二 45°反射面(9b)垂直。
5.根据权利要求3所述的一种芯片CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的线偏振圆形发散光(12a)、第一线偏振圆形发散光(12b)、圆偏振圆形发散光(12c)和第二线偏振圆形发散光(12d)的光束中心均重合，第二线偏振反射圆形发散光(12e)和第一线偏振反射平行光(12h)均垂直于线偏振圆形发散光(12a)的传播方向，线偏振圆形发散光(12a)、第一线偏振圆形发散光(12b)、圆偏振圆形发散光(12c)、第二线偏振圆形发散光(12d)、第二线偏振反射圆形发散光(12e)、第一线偏振反射圆形发散光(12f)、第一线偏振平行光(12g)和第一线偏振反射平行光(12h)均位于同一平面。
6.根据权利要求3所述的一种芯片CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的线偏振圆形发散光(12a)的传播方向为X轴正轴方向，X轴正轴方向的反方向为X轴负轴方向，第一偏振分束器^a)的斜面和第二 45°反射面(9b)的反射面的倾斜方向均为X轴负轴方向顺时针旋转45度方向，第二偏振分束器^b)的斜面和第一 45°反射面(9a)的反射面的倾斜方向均为X轴正轴方向逆时针旋转45°方向。
第二线偏振反射圆形发散光(12e)的传播方向为Y轴正轴方向，第一 X/4波片(7a)的光轴与Y轴正轴方向呈45度，第二人/4波片(7b)的光轴与第一人/4波片(7a)的光轴平行。
7.根据权利要求3所述的一种芯片CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的第一线偏振圆形发散光(12b)、圆偏振圆形发散光(12c)、第二线偏振圆形发散光(12d)、第二线偏振反射圆形发散光(12e)、第一线偏振反射圆形发散光(12f)、第一线偏振平行光(12g)和第一线偏振反射平行光(12h)的总光程为+唭中c为真空中的光速，^为原子ZvOO蒸汽腔芯片中原子基态超精细塞曼能级中磁量子数为零的两能级之间跃迁频率。
全文摘要
本发明公开了一种芯片CPT原子钟物理系统装置，垂直腔面发射激光装置发出的线偏振圆形发散光依次通过第一偏振分束器、第一λ/4波片、原子蒸汽腔芯片和第二λ/4波片后经反射装置反射后通过透镜，然后经第二偏振分束器反射后依次通过第一λ/4波片、原子蒸汽腔芯片和第二λ/4波片，然后经反射装置反射后依次通过透镜和第二偏振分束器传送到光电探测器转换成电流输出。本发明能能将原子集中在“0-0能级”，使得CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度；光源、探测器可以集成在同一个硅片上，装置更小型化。
文档编号H03L7/26GK102799101SQ20121003380
公开日2012年11月28日 申请日期2012年2月15日 优先权日2012年2月15日
发明者顾思洪, 张奕, 屈苏平, 史学明 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所